Trang chủ
Bộ môn - Trung tâm
Đào tạo
Nghiên cứu Khoa học
Hợp tác Quốc tế
Đoàn thể
Sinh viên - Cựu sinh viên
Tin tức - Sự kiện
Th­ư viện
Liên hệ
Chuyện bổ ích - lý thú
Email nội bộ
Thư viện ảnh
Một số ứng dụng cơ học hiện đại trong công nghệ mới

Một số ứng dụng cơ học hiện đại

trong công nghệ mới

b15-1

Việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu Cơ học vào trong các lĩnh vực công nghệ mang lại những hiệu quả kinh tế-xã hội to lớn. Sau đây xin trình bày một tập hợp tổng quan có chọn lọc một số nghiên cứu trong Cơ học hiện đại đã được thực hiện tại Viện các vấn đề Cơ học (IPM) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga và các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực Công nghệ khác nhau. Mong rằng các thông tin này sẽ góp một phần trong việc xác định vị trí và định hướng phát triểc cho các nghiên cứu Cơ học ở nước ta.

Lý thuyết thấm và các ứng dụng:

Các loại đất đá có lỗ và thấm qua được như đá vôi, cát … chứa đựng trong các lỗ rỗng của chúng nước, dầu mỏ, khí đốt. Trong môi trường như vậy, các không gian trống có thể chia ra làm hai phần: Bản thân lỗ rỗng và các kênh thẩm thấu nhỏ nối chúng với nhau. Trong một đơn vị đất đá thì thể tích các lỗ rỗng lớn hơn thể tích các kênh nối khoảng một bậc. Nếu ở các điểm khác nhau của môi trường xuất hiện sự chênh lệch (Gradient) áp suất thì chất lỏng sẽ chảy theo các kênh thẩm thấu. Các cố gắng mô phỏng quá trình thấm bằng các phương trình chuyển động cho từng kênh dẫn đến một số lượng khổng lồ các phương trình và không thể giải được. Vì thế, môi trường thực tế theo truyền thống được thay bằng một môi trường đồng nhất với một số đặc tính thẩm thấu nhất định để cho môi trường đó tuân theo qui luật Darsy, theo đó tốc độ thẩm thấu tỷ lệ với gradient áp suất.

Đóng góp lớn trong sự phát triển lý thuyết thấm truyền thống thuộc về Viện sĩ Kochina. Bà đã xây dựng một hướng mới thuộc về thấm tĩnh có liên quan đến việc nghiên cứu chuyển động của nước ngầm. Các công trình của bà có ý nghĩa thực tiễn lớn, ví dụ như trong việc xây dựng các hệ thống tưới nước, việc chống mặn hóa đất …

Cách đây không lâu lắm, VS Khristianovich đã đóng góp các thay đổi đáng kể vào cơ sở lý thuyết thấm. Lý do là định luật Darsy không cho được sự giải thích thỏa mãn cho một loạt các biện pháp xảy ra trong các vỉa dầu. Ví dụ: không thể dùng định luật này để giải thích tốc độ chậm của việc lan truyền các biến động thấm. Để mô tả quá trình thấm trong các vỉa dầu, nước, Khristianovich đã đề nghị dùng khái niệm khung của đất, đá như một môi trường hạt với các khe nứt và lỗ hổng, nối với nhau bằng các kênh thẩm thấu dạng khe nứt. Trước đó người ta dùng mô hình với lỗ và kênh thấm đơn giản dạng ống. Sự thay đổi khái niệm về kết cấu của không gian phân cách đã dẫn đến sự thay đổi các hệ phương trình cơ bản của quá trình thấm. Khristianovich đã đưa vào hằng số thể hiện kết cấu của không gian phân cách. Trên cơ sở các phương trình này đã có thể giải thích nhiều kết quả thực nghiệm kể cả ở trong phòng thí nghiệm cũng như ngoài hiện trường.

Khái niệm về bộ khung xương đất như một môi trường hạt có lỗ hổng và khe nứt đóng vai trò quan trọng khi nghiên cứu các ảnh hưởng lên quá trình thấm của trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng và quá trình phá hủy của bộ khung xương của đất. Trước đây, lĩnh vực này hầu như chưa được nghiên cứu. Khristianovich cùng các cộng sự đã nghiên cứu các vấn đề biến dạng và phá hủy các nền đá dạng hạt có thấm dầu khi xảy ra sự giảm áp suất vỉa trong quá trình khai thác mỏ. Các kết quả nhận được giúp cho việc đánh giá mức độ cho dầu của mỏ chính xác hơn và đề ra các biện pháp hữu hiệu để nâng cao mức độ cho dầu của mỏ.

Tuy nhiên, chỉ các nghiên cứu lý thuyết không đủ để hiểu được đúng các quá trình thấm trong các vỉa dầu và khí. Cần có các thí nghiệm trong phòng trhí nghiệm trên các mẫu đá lấy từ các mỏ dầu, khí. Tại IPM đã chế tạo một máy nén đặc chủng cho phép tạo trạng thái ứng suất tương đương trong vỉa dầu, khí trong quá trình khoan, chuẩn bị và khai thác trên các mẫu 5x5x5cm và đồng thời nghiên cứu sự thay đổi các đặc tính thấm của mẫu đá.

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã giúp cho việc xác định một loạt các hiện tượng chưa được biết từ trước. Ví dụ như trong đá vôi đã phát hiện ra hiệu ứng tăng đột ngột (hàng chục lần) theo một chiều của độ thẩm thấu của đá khi gia tải ứng suất theo dạng và mức nhất định. Trên cơ sở hiệu ứng này, người đã đề ra và đăng ký patent cho một phương pháp nâng cao năng suất lỗ khoan dầu bằng biện pháp làm xốp đất đá.

Một bức tranh khác xảy ra trong các vùng đất đá cát pha sét, phổ biến ở các mỏ Tây Xibia. Các nghiên cứu đã cho thấy rằng, các ứng suất gây ra khi khoan và chuẩn bị mỏ gây ra các biến dạng lớn trong các nền đất đá đó. Kết quả là các kênh thẩm thấu trong đất bị lấp kín, dẫn đến sự giảm độ thấm của đất đá, lỗ khoan như bị một cái “nút” ít thấm làm cản trở lớn đến dòng chảy dầu.

Các ý tưởng mới đã được kiểm tra các công việc khai thác – thử nghiệm tại lỗ khoan ở Tây Xibia. Công việc này được thực hiện nhờ sự giúp đỡ của lãnh đạo Công ty Lukoil. Trước khi thử ở mỏ, người đã kiểm tra một loạt các mẫu đất đá lấy từ các lỗ khoan lân cận. Theo kết quả các thử nghiệm này, người ta đã đề nghị các khuyến cáo về phương pháp nổ vỉa và gây ra các dòng dầu chảy đến. Việc thực hiện các biện pháp này đã cho hiệu quả lớn ở lỗ khoan mà trước đó được coi là ít triển vọng (sản lượng 6,8 T/ngày). Sau khi thực hiện các biện pháp đã đề ra, sản lượng lỗ khoan là 24 T/ngày.

Một giải pháp khác để tăng sản lượng khai thác dầu đã được Viện si Graniev đề nghị. Tại Trung tâm cơ học và công nghệ sóng phi tuyến thuộc Viện hàn lâm KH Nga đã xây dựng lý thuyết giao động phi tuyến của các hệ nhiều pha và phát hiện nhiều hiện tượng mới gây ra bởi sóng. Ví dụ như đã xác định được hiệu ứng gia tốc các chất lỏng và khí trong các môi trường xốp và khe thấm khi chịu tác động sóng. Sóng có khả năng gia tốc nhiều lần sự dịch chuyển của chất lỏng qua các lỗ rỗng và kênh thẩm thấu ngay cả khi không tăng sự chênh áp suất ở các lỗ rỗng và kênh hay ở các biên của môi trường xốp. Hiện tượng này cùng các hiện tượng cơ bản khác đã được áp dụng trong một trong các công nghệ nhiều hứa hẹn nhất - Công nghệ sóng để tăng sản lượng lỗ khoan, thể tích các lỗ nén và hệ số khai thác các vỉa.

Tại Trung tâm sóng phi tuyến đã chế tạo nguồn sóng. Thiết bị này dựa trên nguyên tắc tự kích, chuyển năng lượng của các máy bơm thành các sóng mạnh. Các thử nghiệm đã thực hiện ở Nga và nước ngoài tại các vỉa đất cũng như vỉa đá các loại, với mục đích khôi phục lại các lỗ khoan đã hết hạn. Ví dụ tại một mỏ tây Xibia, từ lúc bắt đầu khai thác đến lúc xử lý sóng, sản lượng liên tục giảm vì xãy ra nghẽn vỉa. Sau khi xử lý sóng, sản lượng gần như đạt mức dầu khai thác (Hình 1).

b15-2

Hình 1. Sơ đồ công nghệ sóng xử lý lỗ khoan (a) và kết quả thử nghiệm 
công nghiệp tại một mỏ ở Tây Xibia(b) 1. Lồng máng,  2. Lỗ khai thác, 3. Lỗ thành, 4. Vùng gần lỗ, 5. Bẩn tắc vùng gần lỗ, 6. Nguồn sóng, 7. Sóng phát, 8. Chuyển các bẩn tắc từ vỉa

 

Từ giữa các năm 80, tại các vùng khác nhau trên thế giới, đã xử lý hơn 200 lỗ khoan. Sản lượng các lỗ được xử lý tăng trung bình 50-60%, trong một số trường hợp tăng 2-5 lần.

 

Hyroscope sóng trên vật rắn:

Một trong các hướng chính trong lĩnh vực chế tạo Hyroscope định vị là Hyroscope sóng trên vật rắn. Chi tiết chính là vật cộng hưởng có dạng bán cầu mỏng làm từ thạch anh và có chân hình trụ từ đỉnh cầu. Bề mặt bán cầu có phủ kim loại mỏng. Lớp phủ này cho phép kiểm soát dạng biến dạng đàn hồi của vỏ qua hệ thống sensor điện dung và điều khiển dạng dao động đàn hồi của vỏ bằng cách thay đổi điện thế tại các điện cực đặc biệt.

Trong chế độ làm việc, trong vỏ cầu được kích động dao động đàn hồi dưới dạng sóng dừng với bốn đỉnh sóng và bốn bụng sóng theo mép của bán cầu. Nếu bán cầu bất động trong không gian thì vị trí các đỉnh và bụng sóng cũng bất động so với vỏ bán cầu xung quanh có gắn các điện cực đo và điều khiển. Bất kỳ sự quay nào của bán cầu xung quanh trục đối xứng dẫn đến sự quay của đỉnh và bụng sóng tương ứng với vỏ bán cầu.

Các nghiên cứu lý thuyết chuyển động của vật cộng hưởng như một hệ cơ học chỉ ra rằng trong không gian quán tính, sự quay của sóng dừng tuyệt đối tỷ lệ thuận với sự quay của bản thân vật cộng hưởng với một hệ số tỷ lệ . Như vậy, góc quay của hình sóng so với vỏ máy tuyệt đối tỷ lệ với góc quay của thiết bị so với hệ tọa độ tĩnh. Sự tỷ lệ này là cơ sở để sử dụng thiết bị để đo vận tốc góc tuyệt đối, tức là như Hyroscope.

Triển vọng của Hyroscope sóng trên vật rắn dựa trên các cơ sở sau:

§  Thạch anh là mẫu ổn định nên các thông số của Hyroscope cũng ổn định.

§  Các chuyển động dưới dạng dao động vỏ trong giới hạn đàn hồi không gây mòn và mỏi nơi vật liệu, vì vậy không hạn chế độ bền của thiết bị.

§  Phần cảm ứng của Hyroscope mang tính tích phân: góc quay của hình sóng là tích phân của góc tốc độ quay với thời gian quay, vì vậy khoảng đo các vận tốc quay coi như không bị hạn chế, điều này rất tiện cho việc sử dụng trong các hệ thống định vị không có trục cácdăng..

Một điều quan trọng nữa là điều khiển Hyroscope qua hệ thống các điện cực bằng điện thế với tiêu tốn năng lượng ít nhất và khả năng kết hợp vời các thiết bị điện tử. Ví dụ như nhiều nguồn sai sót sinh ra bởi lệch tâm đối xứng, tính đàn hồi … có thể được loại bỏ bằng cách đưa vào các tính hiệu có dạng đặc biệt.

Thiết bị nhỏ gọn, chịu đựng tốt các tác động cơ khí và nhiệt độ, bền và không đắt khi sản xuất hàng loạt. Việc chế tạo thiết bị do các hãng đảm nhiệm với sự hỗ trợ khoa học của Viện các vấn đề cơ học.

 

Vấn đề Cơ học các môi trường dẻo dính:

Tất cả các công nghệ trộn các đối tượng dẻo dính đều sử dụng phần tử thực hành dưới dạng tương tự như cánh tay hoặc cái xẻng. Hiệu quả của các công nghệ này thấp và tiêu tốn năng lượng cao vì quá tình trộn chỉ kéo theo một vùng nhỏ ở gần phần tử thực hành.

Công nghệ mới được IPM đề ra. Vật liệu cần trộn được đổ vào bình chứa có thành đàn hồi và chuyển động được. Việc điều khiển các chuyển động của thành cho phép kéo vào quá trình trộn gần như toàn bộ thể tích vật liệu. Việc trộn đều được thực hiện trong khoảng thời gian ngắn và tiêu tốn năng lượng ít hơn nhiều so với công nghệ truyền thống. Chất lượng trộn ở mức cao mà công nghệ truyền thống không thể đạt được.

Để chọn chế độ chuyển động của thành thùng cho đúng cần phải mô phỏng chính xác hành vi của vật liệu trong thùng chứa có hình dáng thành thay đổi. Để thực hiện việc này, người ta sử dụng phương pháp phân tích chuyển động của các môi trường dẽo dính, còn được gọi là môi trường Bingam (theo tên của nhà bác học cuối thế kỷ XIX đã đề ra phương pháp này). Các phương pháp này có tính đến sự tạo thành các hạt cứng trong vùng chảy với chuyển động như các vật cứng.

Các nghiên cứu được dựa trên cơ sở mô hình Bingan cho phép giải quyết một loạt các bài toán thực tế của công nghệ trộn và dẫn đến các thông số công nghệ cao của mẫu thiết bị. Mặt khác các NC này cũng phát hiện ra các điểm chưa chặt chẽ của mô hình. Trong nhiều trường hợp việc xác định trạng thái ứng suất của các phần cứng không cho một kết quả và đòi hỏi phải có các bổ sung.

Lý thuyết chuyển động của môi trường dẽo dính tiếp tục phát triển. Song ngay cả các thí nghiệm trên mẫu thiết bị cho phép tin tưởng rằng việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này sẽ cho hiệu quả kinh tế lớn. Công nghệ này có thể ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, hóa học, dược phẩm, mỹ phẩm và có thể cả trong xây dựng.

 

Laze công nghệ:

Bắt đầu từ năm 1970, IPM với sự hợp tác của Viện Vật lý mang tên Lebedev và sự giúp đỡ trực tiếp của các viện sĩ Basov và Prokhorov đang thực hiện các công việc chế tạo các laze CO2 công nghệ công suất cao. Trong các công việc này đã sử dụng nhiều nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực cơ học vật rắn và khí, trước hết là trong việc nghiên cứu các quá trình không cân bằng trong khí và Plazma trong điều kiện phóng điện âm ỉ.

Vì môi trường tích cực của các laze CO2 được tạo ra trong điều kiện phóng điện âm ỉ, không ổn định trong các thể tích lớn, nên một trong các vấn đề tối quan trọng trong việc chế tạo các laze này là việc tạo ra sự phóng điện âm ỉ ổn định. Để ổn định quá trình, người ta đã đưa ra phương pháp tiền ion hóa môi trường tích cực bằng các xung cao cáp không qua điện cực. Qua chúng có thể tạo ra sự phóng điện âm ỉ không độc lập một cách ổn định và có hệ số đóng góp năng lượng riêng cao. Tính đồng tính cao của Plazma, vật cộng hưởng với đầu ra là các tấm kính theo một qui luật đặc biệt, đã cho phép nhận được chùm tia gần mode với công suất hơn 3 kw. Chùm laze này dùng trong công nghệ cắt.

Từ 1970 đến 1997, đã chế tạo được các laze từ 1 đến 10 kw. Một số trong chúng đã được chuẩn bị để sản xuất công nghiệp tại các Thành phố Ijevsk (Viện thiết bị nhiệt điện) và một số loạt không lớn các thiết bị này đã được giao cho các xí nghiệp.

Năm 1995, đã chế tạo được bàn công nghệ với “hệ quang học bay” và vật gia công đứng yên (chuyển động công tác 800x1100mm) với độ chính xác 0,1mm. Kết hợp với laze công nghệ hoàn toàn tự động dành cho các quá trình công nghệ khác nhau: cắt, hàn, đắp …(Hình 2)

b15-3

Hình 2. Hệ thống công nghệ laze tự động

Trên cơ sở hệ thống này đã xây dựng được các công nghệ đặc biệt như:

§                     Cắt chất lượng cao các kim loại có tính dẫn nhiệt cao như: đồng, thau, nhôm …

§                     Hàn các kim loại có tính dẫn nhiệt khác nhau nhiều như: đồng, thép không gĩ.

§                                           Cắt theo đương bất kỳ tấm kim loại, cách điện, chất dẽo, gỗ, cáctông, da, kính, …

§                     Khôi phục các chi tiết bị mòn.

Các hệ thống laze này đã được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm trang trí nội thất, cắt các đĩa kim cương, làm các phin lọc nước.

 IPM đang kết thúc việc chế tạo hệ thống công nghệ dùng để chế tạo theo lớp khuôn mẫu có độ phức tạp khác nhau.

 

Thủy động lực học của các van tim:

Hơn 15 năm trước, IPM đã bắt đầu các nghiên cứu các đặc tính cơ học và thủy động lực học các van tim nhân tạo, được sử dụng rộng rãi để thay các van tim bị bệnh. Yêu cầu về các vấn đề này luôn tăng lên, ở Nga là khoảng vài chục ngàn chiếc một năm. Các nghiên cứu này được thực hiện cùng với Viện cấy các cơ quan nhân tạo.

Tất cả các van nhân tạo được chế tạo hiện nay dạng đĩa hoặc 2 cửa, được làm từ cácbon perloit. Chúng ảnh hưởng khác nhau đến dòng máu phía sau van tim. Để nghiên cứu đặc tính thủy động lực học của chúng, người đã đề ra phương pháp đặc biệt hiển thị dòng máu. Phương pháp này dùng để thu nhận các đặc tính cục bộ và tích phân của dòng chảy sau van. Ở trong môi trường mô hình máu, bằng laze người ta tạo ra các mốc máu. Chuyển động của chúng có thể theo dõi được trong tỷ lệ thời gian thực.

Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ ảnh hưởng của kết cấu van tới đặc tính huyết động khi ghép chúng vào cơ thể sống. Đã phát hiện được các khuyết điểm đáng kể của các van ngoại và đề ra mô hình hoàn toàn mới van hai cửa với trục chung của 2 cửa đặt lệch so với vòng đỡ. Van này có đặc tính thủy động tốt hơn các van ngoại.

Cơ học phá hủy và các ứng dụng:

Vào những năm 60, cơ học phá hủy vật liệu và kết cấu với mở đầu là các công trình của Griffits (1920) đã phát triển mạnh.

Như đã biết, các tính toán bền cổ điển dựa trên quan điểm coi là kết cấu bị phá hủy khi trong một mặt cắt nào đó ứng suất đạt bằng giới hạn bền của vật liệu (hoặc là biến dạng giới hạn). Song quan điểm này ngược với các phá hủy quan sát được . Tải trọng phá hủy nhỏ hơn nhiều so với tín toán lý thuyết. Điều này liên quan đến các khuyết tật (công nghệ hoặc vận hành) trong các phần tử của kết cấu. Nguy hiểm hơn cả là các vết nứt.

Sự cân bằng giới hạn của các vết nứt và sự phát triển của chúng được miêu tả bằng các tiêu chuẩn đặc biệt của cơ học phá hủy. Trong trường hợp đơn giản nhất (phá hủy dòn) khi mà vật liệu biến dạng đàn hồi cho tới khi bị phá hủy, có thể sử dụng các tiêu chuẩn năng lượng hay tải trọng. Theo tiêu chuẩn năng lượng (Griffits) vết nứt bắt đầu phát triển nếu vận tốc giải phóng năng lượng biến dạng của vật có vết nứt đạt được giá trị giới hạn, tương ứng với độ bền nứt của vật liệu (năng lượng bề mặt cần để gây ra một đơn vị diện tích bề mặt vết nứt). Theo tiêu chuẩn tải trọng (Barenblatt-Irwin), cân bằng giới hạn của vết nứt xác định bằng giá trị giới hạn của hệ số ứng suất tại điểm của vết nứt. Giá trị này cũng đặc trưng cho tính bền nứt của vật liệu. Khi phá hủy dòn, các chuẩn năng lượng và tải trọng tương đương nhau và cho phép đánh giá độ dài giới hạn của vết nứt nếu biết trước trọng tải ngoài và tính bền nứt của vật liệu.

Các tiêu chuẩn của lý thuyết vết nứt theo phá hủy dòn được phát triển cho các trường hợp phá hủy đàn dẻo và phá hủy với hiệu ứng biến dạng chậm. Sử dụng các tiêu chuẩn của cơ học phá hủy, có thể đánh giá được kích thước cho phép của vết nứt ở các vùng khác nhau của kết cấu với các tải trọng sử dụng. Dựa trên cơ sở các tính toán đó là các tiêu chuẩn về khuyết tật có thể qui định kích thước cho phép của vết nứt và các khuyết tật dạng vết nứt cho các kết cấu cụ thể trong các điều kiện tải trọng tĩnh, tuần hoàn và động. Các tiêu chuẩn tương tự được xác định cho hàng loạt các đối tượng quan trọng hoặc được sử dụng hàng loạt như đường ống, bình áp lực, thiết bị chế biến nguyên liệu thiên nhiên.

Như một ví dụ ta có thể xét sự phát hiện của vết nứt – tách lớp ở trong các đường ống tác dụng của hydro nguyên tử (hình 3). Hydro sinh ra trên mặt tiếp xúc giữa kim loại và khí có chứa sunfuahydro và thấm vào thành kết cấu, tạo nên các vết nứt. Các phương pháp đánh giá tải trọng Hydro thực tế và động học của sự phát triển các vết nứt Hydro cho phép xây dựng lịch kiểm tra và kéo dài tuổi thọ của đường ống và các thiết bị khí ở mỏ khí Openburg. Công việc này được thực hiện cùng với các công ty Orenburggazprom và Viện máy dầu.

b15-3 

Hình 3. Sơ đồ phá hủy đường ống dưới tác dụng của phần gaz có hydruasunfur. 
Đường ống làm từ thép X-52, đường kính 720mm, dày 18mm; a) Sơ đồ thẩm thấu hydro vào thành ống và tạo vết nứt; b) Sự phụ thuộc tải trọng hydro theo thời gian 
(tính theo cường độ dòng điện đo bằng sensor ngoài);chỉ ra sự phát triển khuyết tật trong ống theo thời gian.

Các phương pháp của cơ học phá hủy dùng để thiết kế các vật liệu mới có độ bền nứt cao, tối ưu hóa công nghệ gia công để giảm các khuyết tật. Ví dụ bài toán độ bền và cơ học phá hủy của các mối kết dính đặt ra giữa độ bền và độ bền nứt của các mối dính. Nhiều khi các nghiên cứu mối nối dính đòi hỏi các phương pháp thử nghiệm đặc biệt.

Ví dụ như: Chi tiết của Pin nhiệt điện cấu tạo cột bán dẫn (Bi2Te3) và lớp phủ Nikel. Các nhà công nghệ quan tâm đến vấn đề đánh giá độ bền kết dính của bán dẫn- lớp phủ. Cột bán dẫn có kích thước vài milimet. Phương pháp gia tải cổ điển không sử dụng được cho các kích thước nhỏ như vậy. Bắt buộc phải đề ra sơ đồ thử khác, có kể đến việc cột bán dẫn chứa một dãy các đơn tinh thể. Khi nén ngang trục các đơn tinh thể, chúng dịch chuyển đối với nhau và gây nên tách lớp mạ Nikel (hình 4) sơ đồ cho phép so sánh các công nghệ khác nhau tạo lớp phủ và tối ưu hóa các công nghệ đó.

b15-4

Hình 4. Sơ đồ biến dạng và phá hủy chi tiết bán dẫn chịu nén. a.  Sơ đồ nén mẫu; b.  Sự phụ thuộc độ trượt dọc theo áp suất; c. Mặt biên trượt đơn tinh thể của chi tiết nhiệt không có lớp phủ và có lớp phủ Niken, sự phát triển của vết nứt tại mặt phân cách dính.

Các nguyên tắc của cơ học phá hủy có ứng dụng trong công nghệ cắt, đập, nghiền, đánh bóng … và cố gắng của các chuyên gia đang tập trung vào các lĩnh vực này.

 

Các mô hình và phương pháp của lý thuyết đó đã tạo ra các tiến bộ đáng kể trong công nghệ gia công vật liệu. Ví dụ nhiều công nghệ gia công áp lực đã có thể tối ưu hóa và nâng cao hiệu quả bằng các trường ứng suất đặc biệt. Ví dụ có thể điều khiển quá trình ép nguội sử dụng lực ma sát tích cực giữa mặt khuôn và vật ép. Các lực này được tạo lên khi chuyển khuôn theo chiều chảy của kim loại với vận tốc lớn hơn vận tốc chảy. Kết quả là biến dạng được phân bố đều trong vật ép, đạt được mức biến dạng cao, giảm khuyết tật và đồng thời tăng độ bền của khuôn.

 

Ma sát và mòn:

Theo Hội đồng Quốc Tế về ma sát, sự sử dụng không đầy đủ các kiến thức trong lĩnh vực này đã thất thoát 20% sản phẩm quốc nội của các nước phát triển.

Việc tạo ra các vật liệu mới, lớp phủ- công nghệ làm ben mặt ma sát phụ thuộc lớn vào các thành tựu cơ học. Đó là cơ sở của các phương pháp tính toán ma sát và mòn và cơ sở để tối ưu hóa các quá trình sản xuất.

Tại IPM đã có nhiều chú ý đến các nghiên cứu cơ học tiếp xúc, ảnh hưởng của các phương pháp làm rắn bề mặt đến tính chống mòn, các vấn đề tối ưu các đặc tính cơ học và hình học của các cặp ma sát. Đã xây dựng phương pháp tính toán các đặc tính tiếp xúc gián đoạn. Trên cơ sở đó chọn cấu hình bề mặt tiếp xúc tối ưu. Phương pháp này dựa trên cơ sở giải bài toán tiếp xúc nhiều điểm trong môi trường đàn hồi và đồng nhất. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của vi cấu hình bề mặt lên khe hở giữa các mặt, áp suất thực tế và diện tích tiếp xúc, lên trạng thái ứng suất – biến dạng và tốc độ tích lũy thương tổn của lớp vật liệu dưới mặt. Đã định lượng sự ảnh hưởng của vi cấu hình bề mặt lên tốc độ mòn.

Các nghiên cứu thực nghiệm so sánh với các dạng cấu hình bề mặt khác nhau đã được thực hiện trên các máy thử ma sát đa năng theo các phương pháp đề ra. Kết quả thử nghiệm được sử dụng để cải tiến công nghệ làm rắn bề mặt ma sát, chọn dạng hình học tối ứu để giảm tổn thất do ma sát và tăng tuổi thọ các cặp ma sát khô cũng như ma sát chuyển tiếp.

Đã xây dựng được các phương pháp đa dụng để đánh giá độ mòn của các cặp ma sát. Các phương pháp này đã được sử dụng để mô hình hóa quá trình mài mòn của công cụ cắt hoặc ổ trục ma sát, sự thay đổi hình dạng của các bề mặt khi đánh bóng … Các phương pháp này được dựa trên cơ sở giải một dạng bài toán tiếp xúc mới cho các vật biến dang, có tính đến sự biến dạng của vật trong quá trình ma sát gây ra do ăn mòn. Các vật biến dạng có hình dạng, lớp phủ trơn và chống mòn khác nhau.

Cùng với các chuyên gia bộ phận thử vật liệu và kết cấu Viện vận tải đường sắt, cán bộ của IPM đã xây dựng mô hình động lực học ma sát giữa bánh xe và đường ray. Mô hình này được sử dụng để đánh giá và dự báo ảnh hưởng của các yếu tố (độ nghiêng ray, độ cong đường, độ gia cứng vật liệu bánh xe và ray, chất bôi trơn, điều kiện tương tác) đến trạng thái ứng suất ở vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray, đến động lực học của quá trình ăn mòn và hình dáng của bánh xe và đường ray bị ăn mòn.

Phương pháp tạo vi cấu hình bề mặt tiếp xúc có nhiều triển vọng trong chế tạo máy và thiết bị. Đã nghiên cứu các thay đổi hình dạng bề mặt mài mòn mà trước đó đã được gia cứng bằng laze và chỉ ra rằng việc lựa chọn chế độ gia cứng thích hợp cho phép nhận được bề mặt ma sát với vi cấu hình định trước.

Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các lớp phủ đến trạng thái ứng suất – biến dạng của các vật tiếp xúc và cục bộ hóa sự phá hủy. Đã tập trung chú ý về ảnh hưởng của vi hình học bề mặt tiếp xúc tới số lượng và vị trí tập trung ứng suất tại lớp mặt . Không phân tích kỹ đặc tính này thì không thể xác định được độ dày và có tính tối ưu của lớp phủ cứng và mỏng (ví dụ như gốm), dùng để tăng độ bền mòn. Đã nghiên cứu các ảnh hưởng khuyết tật tại ranh giới lớp phủ lớp nền (ví dụ như vết nứt, lỗ hổng) đến trạng thái ứng suất trong điều kiện tương tác tiếp xúc. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để chọn cơ tính cho lớp phủ để đảm bảo độ bền tối đa trong một cặp ma sát cụ thể với các điều kiện ngoài cụ thể (tải trọng, tốc độ trượt …)

 

Cơ học chất lỏng trong công nghệ:

Một ví dụ đặc trưng khi các kết quả nghiên cứu cơ bản trong Cơ học dẫn đến sự xuất hiện các công nghệ mới là các thành tựu trong cơ học chất lỏng, trao đổi nhiệt chất. Những năm gần đây đã xây dựng được các phương pháp mô hình và thực tế đã nghiên cứu các quá trình phi tuyến ở trong khoảng thông số đặc trưng cho các công nghệ chế tạo vật liệu. Đã tạo nên các hệ thống tính toán để nghiên cứu nhiều tham số, là cơ sở để điều khiển các quá trình thủy lực phi tuyến. Các mô hình thủy lực ba chiều phi tuyến và các phương pháp lý thuyết ổn định thủy lực đã được sử dụng tích cực và cho phép không chỉ hiểu kỹ hơn cơ cấu không gian của các dòng chảy tối ưu mà còn nhận được các chỉ tiêu tương ứng của sự phát triển không ổn định của các dòng đối lưu ba chiều. Đã xuất hiện các mô hình kết nối của các quá trình trao đổi nhiệt chất có kể đến sự truyền nhiệt trong toàn thiết bị. Sau đây mô tả việc sử dụng các thành tựu đó trong công nghệ cấy đơn tinh thể một vật liệu chiến lược trong kỹ thuật điện tử- Arsenua Gali bán cách điện.

Tại Viện vật liệu kỹ thuật điện tử (Caluga) có thiết bị công nghiệp để cấy tinh thể Arsenua Gali theo phương pháp kéo từ thể lỏng (phương pháp Chockralski). Thiết bị này có phần nhiệt, chảo đựng đối tượng lỏng, cơ cấu kéo đơn tinh thể, quay tinh thể và bát nung (hình 5). Trong điều kiện thực tế, việc cấy các đơn tinh thể đường kính lớn (khoảng 80mm, hoặc hơn) xảy ra trong trạng thái quá ngưỡng nếu xét từ phía ổn định của dòng đối lưu, tức là giá trị của số grasgof Gr được dùng để xác định sự xuất hiện không ổn định của dòng đối lưu, lớn hơn đáng kể giá trị ngưởng. Nhắc lại là: Gr = gbL (Tc-Ts)/ na; trong g - gia tốc trọng trừơng, b -hệ số nỡ nhiệt, L-bán kính bát nung, (Tc – Ts) – chênh lệch nhiệt độ đặc trưng giữa nguồn nhiệt . Trong thiết bị công nghiệp, số Gr bằng 1,5.106, trong khi đó, thực tế số Gr có thể đạt 108 – 109. Trong điều kiện đó, trong chất lỏng xãy ra các dao động nhiệt lớn, dẫn đến sự không đồng nhất dạng dải trong đơn tinh thể.

b15-5

Hình 5. Thiết bị để cấy đơn tinh thể ar sensor gali theo phương pháp
 chokhralski 1. Buồng kín; 2. Nền buồng và nguồn động lực; 
3. Đế; 4. Nguồn động lực để quay tinh thể và bát nung;
 5. Trục rung và quay tinh thể; 6. Trục quay bát rung; 7. Gioăng kín; 
8. Bát nung; 9. Nguồn nung; 10. Mối kết tinh

Đã biết một số biện pháp chống lại sự không ổn định đối lưu và giảm các dao động nhiệt, ví dụ như tối ưu hóa các thông số động lực (sự quay của tinh thể và chảo), dùng từ trường, thay đổi các đặc tính của phần gia nhiệt, giảm lực nổi (vi trọng trường). Tại Viện các vấn đề cơ học đã thực hiện một khối lượng lớn các nghiên cứu cho phép phát hiện các khả năng mới để chống lại dao động nhiệt liên quan đến các thay đổi theo chu kỳ nhiệt độ của nguồn nhiệt. Trên hình 6 là kết quả một trong số các tính toán dựa trên cơ sở mô hình thủy động đối xứng trục của các kết cấu đẳng nhiệt của trường nhiệt độ và dòng chảy (các đẳng tuyến của hàn dòng) trong Arsenua Gali nóng chảy cho các đặc tính đặc trưng cho thiết bị nói trên. Các thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ của nguồn nhiệt (hình 6, đường 1) dẫn đến là nhiệt độ trong chất lỏng có hướng giảm dao động (hình 6 đường 2). Các thực nghiệm công nghệ đã khẳng định khả năng nâng chất lượng đồng nhất của tinh thể bằng cách sử dụng các tác động điều khiển tương tự. Độ đồng nhất tăng lên vì giảm cường độ đối lưu nhiệt trong chất lỏng bằng cách thay đổi lực nối với biên độ và tần số cho phép trong điều kiện phát triển của các đơn tinh thể.

b15-6

Hình 6. Phương trình đối lưu trong bát nung bằng qua thay đội nhiệt độ nguồn nung (T) theo thời gian (t) theo định luật T=T0+A2sint/p, trong đó: A=40, p=10 s; a) Trường đẳng nhiệt, b) Các đường đẳng dòng, c) Thay đổi nhiệt độ tương đối theo thời gian tại thành bát nung (1) và trong chất cháy lỏng (2)

Trong điều kiện vi trọng trường, số Grasgof nhỏ hơn nhiều so với giá trị ngưỡng, vì thế trong trạng thái không trọng lượng, về nguyên tắc có thể hoàn toàn loại bỏ các dao động nhiệt gây ra bởi mất ổn định đối lưu. Song phương pháp này rất đắt tiền, hơn nữa trong vũ trụ có thể có các khuyết tật không đồng bộ lớn. Việc nghiên cứu mối quan hệ các dao động nhiệt và các thông số công nghệ như hàm của số Grasgof (độ nhạy trọng trường) rất quan trọng vì cho phép so sánh với nhau hiệu quả của các tác động điều khiển khác nhau.

 

Vi robo và vi máy:

Thời gian gần đây, các nước công nghiệp phát triển mạnh các công nghệ cơ khí vi mô, dựa trên cơ sở các phương pháp và thiết bị vi điện tử, công nghệ chế tao vi sợi và tấm thủy tinh. Công nghệ này quyết định việc chế tạo các vật phẩm cao cấp dưới micrometr và dưới milimetr. Các chuyên gia phương tây cho rằng, trong 30 năm tới, ảnh hưởng của vi cơ khí đến tiến bộ kỹ thuật thế giới sẽ tương đương với ảnh hưởng của vi điện tử trong toàn bộ thời gian tồn tại của nó.

Hiện nay, các hãng và Đại học của Mỹ, Đức, Nhật đã tập trung các cố gắng và các lĩnh vực của vi cơ khí như vi Robo, vi máy. Để thực hiện các mục đích khác nhau với các thành phần vi cơ khí khác nhau kết hợp với các thiết bị vi điện tử thành các cụm thống nhất, từ đó thiết kế các hệ thống vi cơ điện tử. Các hệ thống này sẽ có vai trò tiên phong trong sự phát triển công nghiệp, các lĩnh vực phi công nghiệp và y tế trong thế kỷ 21.

Việc tạo ra các vi Robo liên quan đến khối lượng lớn các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, đến việc giải quyết các thủ thuật công nghệ chế tạo. Tính phức tạp của việc chế tạo các vi Robo và vi tay máy là do trong quá trình sản xuất chúng cần loại bỏ các giai đoạn lắp ráp, đòi hỏi các vi thiết bị cũng phức tạp như chính các thiết bị cần chế tạo. Việc chế tạo các vật liệu mới, trong đó có vật liệu composit có ý nghĩa lớn trong công nghệ sản xuất các hệ vi cơ điện tử.

Ở Nga cũng tiến hành các nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực vi cơ khí với mục đích tạo ra các vi máy và vi Robo mới. Tổ hợp “Robot” đã bắt đầu xây dựng cơ sở cấu thành của hệ thống vi cơ khí, đã xây dựng không chỉ công nghệ mới mà cả các mẫu vi động cơ với đường kính ngoài 1,0- 20mm. Công nghệ Nga cho phép đưa vào sản xuất đại trà các vật phẩm vi kích thước có chứa một hay một vài cụm chi tiết.

Tại IPM đang nghiên cứu tương quan giữa lực và môment tác dụng trong các cơ cấu vi mô và vĩ mô. Đã đề ra các phương pháp thực hiện các sơ đồ động học của các vi hệ với chức năng khác nhau.

Trên thực tế, các hệ sau có nhiều ứng dụng:

§                     Vi động cơ và vi động lực, trong đó có các vi động cơ Piezo, điện từ, điện tĩnh, siêu âm.

§                     Vi sensor: áp suất, dịch chuyển, gia tốc, nhiệt độ, vị trí, dòng chảy, và con quay hồi chuyển vi mô để sử dụng trong các hệ thống định vị và điều khiển .

§                     Vi thành phần điện: tụ điện, điện tử, đèn, camera đường kính 2-3mm dài 4-6mm và các thành phần của hệ thống vi điều khiển, vi camera laze .

§                     Vi robo với cấu tạo modul với hệ thống điều khiển nội, chuyển động trong các cơ cấu nhỏ, leo tường, bay, lặn (vi tàu ngầm).

§                     Các thành phần radio và quang điều khiển được .

§                     Các dụng cụ micro và namo, tay nắm, tay máy, đồ gá vi mô.

§                     Lò phản ứng, bơm vi mô.

Các công nghệ chế tạo vi cơ điện có ý nghĩa lớn trong công nghệ in, gia công tia lữa điện, công nghệ sợi thủy tinh.

Lĩnh vực ứng dụng các vi Robo là rất rộng lớn. Ta có thể bắt đầu tứ lĩnh vực bảo vệ môi trường. Với hệ thống các vi Robo phân bố trong không gian với các sensor, có thể báo trước được các thay đổi môi trường toàn cầu. Trong công nghệ sinh học sẽ ứng dụng rộng rãi các vi lò phản ứng sinh học, sinh hóa, các vi thiết bị định lượng và điều khiển phản ứng. Trong công nghệ Gen và vi sinh sẽ ứng dụng các vi và siêu vi công cụ để cắt AND, nhiễm sắc thể và các vi sinh.

Trong chế tạo máy các hệ thống công nghệ vi mô cần dùng để vi hàn, vi lắp ráp, vi dịch chuyển, để bảo đảm chất lượng các bề mặt ma sát va tương tác trong các máy móc. Chúng cũng cần dùng trong các hệ thống kiểm tra và điều khiển trên một mức mới các đối tượng chế tạo máy như dây chuyền, hệ thống gia công, robo.

Ngành giao thông (đường bộ, đường sắt, hàng không, metro) cần các hệ thống chính xác để định hướng, định vị, điều khiển với độ tin cậy, độ chính xác và an toàn cao. Với mục đích đó, người ta chế tạo thiết bị đo vận tốc, gia tốc, con quay hồi chuyển, hệ thống điều khiển với các kích thước vi mô. Các thành tựu của vi cơ khí có thể được sử dụng tại các hệ thống không gian vũ trụ (vi Robo và vi hệ thống cho các thí nghiệm, chẩn đoán kỹ thuật cho các thiết bị vũ trụ, hệ thống điều khiển), các hệ thống thông tin vũ trụ, và trên các vệ tinh nhân tạo.

Trong Y học, vi Robo giúp việc đưa thuốc chữa bệnh vào các vị trí cần thiết của cơ thể, thực hiện vi phẩu thuật tại các mạch, chẩn đoán y khoa bằng các vi máy, vi soi và các viên oi vi mô. Xuất hiện các thiết bị y tế mới – để tăng thính lực, khứu giác, chữa các bệnh tim mạch.

Các vi sensor và vi hệ thống có thể ứng dụng trong ngành năng lượng kể cả năng lượng nguyên tử, dầu khí, thiết bị dân dụng. Chúng đảm bảo an toàn, tăng độ tin cậy và các đặc tính sử dụng của các thiết bi.

Các ví dụ nêu trên cho thấy rõ ràng các ảnh hưởng vĩ đại của các nghiên cứu cơ bản trong Cơ học đến sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ. Cần nhấn mạnh rằng, kết quả của nhiều nghiên cứu có thể được ứng dụng trong công nghiệp trong thời gian sắp tới mà không đòi hỏi các chi phí lớn.

Trần Quang Khôi, Klimov D.M.

Theo: nuocnga.net